Тема 4. Основная память. Кэш-память. Видеокарты. Видеопроцессоры

4.1. Основная память

Память компьютера – это совокупность устройств для хранения программ, вводимой информации, промежуточных результатов и выходных данных.

Внутренняя память предназначена для хранения относительно небольших объёмов информации при её обработке микропроцессором.

Внешняя память предназначена для длительного хранения больших объёмов информации независимо от того включен или выключен компьютер.

Энергозависимая память – это память, которая стирается при выключении компьютера.

Энергонезависимой называется память, которая не стирается при выключении компьютера.

К энергонезависимой внутренней памяти относится постоянное запоминающее устройство (ПЗУ).

К энергозависимой внутренней памяти относятся оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), видеопамять и кэш-память.

В оперативном запоминающем устройстве в двоичном виде запоминается обрабатываемая информация, программа её обработки, промежуточные данные и результаты работы.

ОЗУ обеспечивает режимы записи, считывания и хранения информации, причём в любой момент времени возможен доступ к любой произвольно выбранной ячейке памяти. Это отражено в англоязычном названии ОЗУ – RAM (Random Access Memory – память с произвольным доступом).

Часть оперативной памяти отводится для хранения изображений, получаемых на экране монитора, и называется видеопамять.

Чем больше видеопамять, тем более сложные и качественные картинки может выводить компьютер.

Высокоскоростная кэш-память служит для увеличения скорости выполнения операций компьютером и используется при обмене данными между микропроцессором и RAM. Кэш-память является промежуточным запоминающим устройством (буфером). Внешняя память может быть с произвольным доступом и последовательным доступом. Устройства памяти с произвольным доступом позволяют получить доступ к произвольному блоку данных примерно за одно и то же время доступа.

Выделяют следующие основные типы устройств памяти с произвольным доступом:

1. Накопители на жёстких магнитных дисках (винчестеры, НЖМД) - несъемные жесткие магнитные диски. Ёмкость современных винчестеров от сотен мегабайт до нескольких сотен гигабайт. На современных компьютерах это основной вид внешней памяти.

2. Накопители на гибких магнитных дисках (флоппи-дисководы, НГМД) – устройства для записи и считывания информации с небольших съемных магнитных дисков (дискет), упакованные в пластиковый конверт (гибкий - у 5,25 дюймовых дискет и жесткий у 3,5 дюймовых).

3. Оптические приводы - компьютерные устройства для чтения с компакт-дисков. CD-ROM (СD -ROM - Compact Disk Read Only Memory) диски получили распространение вслед за аудио-компакт дисками. Это пластиковые диски с напылением тонкого слоя светоотражающего материала, на поверхности которых информация записана с помощью лазерного луча.

4. Оптические приводы - компьютерные устройства для чтения с компакт-дисков. DVD-ROM.

Лазерные диски являются наиболее популярными съёмными носителями информации. При размерах 12 см в диаметре, их ёмкость достигает 700 Мб. В настоящее время в основном используется формат компакт-дисков DVD-ROM, позволяющий при тех же размерах носителя разместить информацию объёмом 4,3 Гб.

Устройства памяти с последовательным доступом позволяют осуществлять доступ к данным последовательно, т.е. для того, чтобы считать нужный блок памяти, необходимо считать все предшествующие блоки.

Среди устройств памяти с последовательным доступом выделяют:

1. Накопители на магнитных лентах (НМЛ) – устройства считывания данных с магнитной ленты. Такие накопители достаточно медленные, хотя и большой ёмкости. Современные устройства для работы с магнитными лентами – стримеры, имеют увеличенную скорость записи 4 - 5Мбайт в сек.

Под стримером (streamer) обычно понимается накопитель на магнитной ленте, имеющий лентопротяжный механизм, который работает в инерционном режиме. Суть этого режима состоит в том, что длина отрезка магнитной ленты, проходящей мимо головки при остановке или перезапуске, превышает длину промежутка между блоками информации, записанными на ней. Вследствие этого после остановки ленту необходимо вернуть (перемотать) назад, и только выполнив эту операцию, можно перейти к следующему сеансу работы с лентой.

При передаче больших объёмов данных (десятки и тысячи килобайт) инерционный режим обладает неоспоримыми преимуществами перед применявшимся ранее старт-стопным режимом работы, так как в этом случае ленты могут обрабатываться на значительно более высокой скорости. Так как инерционный режим может использовать очень короткие промежутки между блоками информации, хранимый объем данных на ленте фиксированной длины может быть увеличен.

Не следует, однако, забывать об основном недостатке этого режима - сравнительно большом времени повторного позиционирования (обычно 0,1 - 2 с). Именно поэтому использующие инерционный режим стримеры применяются в основном для операций резервного копирования и архивирования данных с жёстких дисков (backup).

Обычно современные стримеры используют не отдельные бобины с лентой, а специальные кассеты - картриджи. Они различаются по внутреннему устройству и по ширине самой ленты и носят следующие названия:

- четвертьдюймовые картриджи QIC (Quarter Inch Cartridge), Travan-стримеры;

- 8-мм картриджи;

4-мм картриджи DAT (Digital Audio Tape);

- 8-мм картриджи DLT (Digital Linear Tape).

При записи информации на ленту контроллер стримера или программное обеспечение архивирования пытаются сжимать записываемую информацию, поэтому в качестве скорости записи и ёмкости картриджа принято указывать величины, вдвое превышающие настоящие скорости. Это не совсем соответствует действительности, так как при записи на ленту, например, архивов дополнительное сжатие приводит не к уменьшению, а скорее к увеличению объёма записываемой информации.

Кратко рассмотрим принцип работы оперативной памяти.

Минимальный элемент памяти - бит или разряд способен хранить минимально возможный объём информации - одну двоичную цифру. Бит очень маленькая информационная единица, поэтому биты в памяти объединяются в байты - восьмерки битов, являющиеся ячейками памяти. Все ячейки памяти пронумерованы. Номер ячейки называют её адресом. Зная адрес ячейки можно совершать две основные операции:

1) прочитать информацию из ячейки с определённым адресом;

2) записать информацию в байт с определенным адресом.

Чтобы выполнить одну из этих операций необходимо, чтобы от процессора к памяти поступил адрес ячейки, и чтобы байт информации был передан от процессора к памяти при записи, или от памяти к процессору при чтении. Все сигналы должны передаваться по проводникам, которые объединены в шины.

По шине адреса передается адрес ячейки памяти, по шине данных – передаваемая информация. Как правило, эти процессы проходят одновременно.

Для работы ОЗУ используются еще 3 сигнала и соответственно 3 проводника. Первый сигнал называется запрос чтения, его получение означает указание памяти прочесть байт. Второй сигнал называется запрос записи, его получение означает указание памяти записать байт. Передача сразу обоих сигналов запрещена. Третий сигнал – сигнал готовности, используемый для того, чтобы память могла сообщить процессору, что она выполнила запрос и готова к приему следующего запроса.

Всем компьютерам требуется память нескольких видов и на каждом шагу выполнения программ. Память нужна как для исходных данных, так и для хранения результатов, для взаимодействия с периферией компьютера и даже для поддержания образа, видимого на экране.

Вся память компьютера делится на внутреннюю и внешнюю.

В компьютерных системах работа с памятью основывайся на очень простых концепциях. В принципе, все, что требуется от компьютерной памяти, - это сохранять один бит информации так, чтобы потом он мог быть извлечен оттуда.

В настоящее время широкое распространение получили устройства динамической памяти, базирующиеся на способности сохранять электрический заряд. Эти устройства называются конденсаторами.

На первый взгляд конденсатор не удовлетворяет основному требованию устройств памяти. Он не способен сохранять заряд в течение длительного промежутка времени, но он позволяет делать это в течение нескольких миллисекунд, чего вполне достаточно, чтобы использовать это в электронике. За это время специальные цепи компьютера обеспечивают подзарядку конденсатора, то есть обновление информации.

Динамическая память – это память, в которой происходит непрерывный процесс обновления информации.

В современных персональных компьютерах динамическая память реализуется на базе специальных цепей проводников, заменивших обычные конденсаторы. Большое количество таких цепей объединяется в корпусе одного динамического чипа. Однако, подобно памяти на конденсаторах, такая должна постоянно освежаться.

В то время как динамическая память, получив заряд электричества, удерживает его, так называемая статическая память не мешает потоку электронов циркулировать по цепи. Прикладываемое напряжение может изменить направление движения электронов. Причём, существует только два направления движения потока, что позволяет использовать данные цепи в качестве элементов памяти.

Статическая память работает наподобие выключателя, который переключает направление электронного потока.

Эволюция микросхем ОЗУ вплотную связана с эволюцией персональных компьютеров. Для успеха настольных компьютеров требовались миниатюрные чипы ОЗУ. По мере увеличения ёмкости памяти цена скачкообразно возрастала, но потом постоянно уменьшалась по мере отработки технологии и роста объёмов производства.

Динамические микросхемы памяти маркируются специальным числом, говорящим об их скоростных возможностях. Указанное на корпусе число отражает время доступа в наносекундах без последнего нуля.

Время доступа не является, однако, единственной или наиболее важной характеристикой микросхем памяти. Более значимо такое понятие, как время цикла, которое говорит о том, как быстро можно произвести повторное обращение. В динамических микросхемах это время больше времени доступа, в статических чипах эти времена равны, что говорит о более скоростных режимах последних.

Чтобы справиться с ограничением по скорости, были использованы специальные решения по организации памяти. Наиболее простое из них - это использование обычной архитектуры с необходимым числом циклов ожидания

Хорошая альтернатива предыдущему методу - использование кэш-памяти, что позволит избежать полного заполнения всей машины быстрой RAM-памятью. Обычно программа использует память какой-либо ограниченной области, храня нужную информацию в кэш-памяти, работа с которой позволяет процессору обходиться без циклов ожидания

Не всякая кэш-память равнозначна. Большое значение имеет тот факт, как много информации может содержать кэш-память. Чем больше кэш-память, тем больше информации может быть в ней размещено, а следовательно, тем больше вероятность, что нужный байт будет содержаться в этой быстрой памяти.

Очевидно, что самый лучший вариант, когда объём кэш-памяти соответствует объёму всей оперативной памяти. В этом случае вся остальная память становится ненужной. Противоположная ситуация, когда 1 байт кэш-памяти тоже не имеет практического значения, так как вероятность того, что нужная информация окажется в этом байте, стремится к нулю. Практически, диапазон используемой кэш-памяти колеблется в пределах 16- 64 Кб.

На самом деле реализация кэш-систем не так проста, как это может показаться на первый взгляд. Микропроцессор должен не только читать из памяти, но и писать в неё. Что случится, если процессор занесёт новую информацию в кэш-память, а перед использованием этой информации она будет изменена в основной памяти.

Во избежание подобной ситуации иногда реализуется метод, названный записью через кэш-память. Очевидно, что этот метод снижает быстродействие системы, поскольку приходится писать не только в кэш-память. Хуже того, микропроцессору может понадобиться информация, которую он только что записал и которая ещё не была перезагружена в кэш-память.

Целостность памяти - это одна из самых больших проблем разработчиков кэш-памяти.

Все вопросы по преодолению этих проблем были возложены на отдельную микросхему - кэш-контроллер.

Еще одна разновидность архитектуры оперативной памяти компьютера - это её разбивка на отдельные секции и работа с этими секциями как с малой кэш-памятью. Большая скорость доступа к ограниченным областям памяти является особенностью некоторых специфических микросхем, которые позволяют некоторому объёму, но не всей памяти, быть считанному без цикла «Ожидания».

Этот подход требует специальных RAM-микросхем, которые делят свои адреса по страницам. Такая технология получила название режима страничного доступа. Эти специальные микросхемы обеспечивают очень быстрый доступ в одном из двух направлений их организаций. Если требуется чтение или запись информации, хранящейся на определенной странице памяти, и предыдущая команда по работе с памятью использовала информацию с той же страницы, цикла ожидания не требуется. Однако при переходе с одной страницы на другую циклы ожидания неизбежны.

Следующая интересная технология, названная interleaved memory, очень похожа на ОЗУ страничного режима. Она существенно повышает скорость обращения к памяти, но не имеет ограничений по страничной разбивке. При использовании этой технологии вся оперативная память разбивается на два или большее число банков. Последовательность битов хранится в разных банках, поэтому микропроцессор обращается то к одному, то к другому банку при чтении этой последовательности. Во время обращения к одному банку другой реализует цикл обновления, и поэтому процессору не приходится ждать. И только если микропроцессору приходится читать несмежные биты, статус ожидания неминуем, но вероятность его по явления уменьшается.

Наиболее типовая реализация этой технологии представляется разбивкой оперативной памяти на два банка, а следовательно вероятность возникновения ожидания - 50%. Четырёх банковая организация уменьшает эту вероятность до 25%. Так как данная технология не требует применения специальных микросхем памяти, она является наиболее удобной для повышения скорости системы.

Помимо оперативной памяти существует ещё и постоянная память (ПЗУ). Её главное отличие от 03У – это невозможность в процессе работы изменить состояние ячеек ПЗУ. В свою очередь и эта память делится на постоянную и репрограммируемую. Принципы её функционирования понятны из названия.